計算機控制課程設(shè)計----數(shù)字濾波

1、<p>　　信息工程課程設(shè)計報告書</p><p>　　課 程 名 稱 計算機控制技術(shù)課程設(shè)計</p><p>　　課程設(shè)計總評成績 </p><p>　　學(xué)生姓名、學(xué) 號 </p><p>　　學(xué) 生 專 業(yè) 班級

2、 自動化1092 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 姓名 </p><p>　　課程設(shè)計起止日期 2012/1/7——2012/1/13 </p><p><b>　　課程設(shè)計基本要求</b></p><p>　　課程設(shè)計是工科學(xué)生十分重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計，培養(yǎng)

3、學(xué)生綜合運用先修課程的理論知識和專業(yè)技能，解決工程領(lǐng)域某一方面實際問題的能力。課程設(shè)計報告是科學(xué)論文寫作的基礎(chǔ)，不僅可以培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達(dá)能力，也是規(guī)范課程設(shè)計教學(xué)要求、反映課程設(shè)計教學(xué)水平的重要依據(jù)。為了加強課程設(shè)計教學(xué)管理，提高課程設(shè)計教學(xué)質(zhì)量，特擬定如下基本要求。</p><p>　　1. 課程設(shè)計教學(xué)一般可分為設(shè)計項目的選題、項目設(shè)計方案論證、項目設(shè)計結(jié)果分析、答辯等4個

4、環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都應(yīng)有一定的考核要求和考核成績。</p><p>　　2. 課程設(shè)計項目的選題要符合本課程設(shè)計教學(xué)大綱的要求，該項目應(yīng)能突出學(xué)生實踐能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；該項目有一定的實用性，且學(xué)生通過努力在規(guī)定的時間內(nèi)是可以完成的。課程設(shè)計項目名稱、目的及技術(shù)要求記錄于課程設(shè)計報告書一、二項中，課程設(shè)計項目的選題考核成績占10%左右。</p><p>　　3. 項目設(shè)計方案論證主

5、要包括可行性設(shè)計方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實施最佳方案的軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖。項目設(shè)計方案論證內(nèi)容記錄于課程設(shè)計報告書第三項中，項目設(shè)計方案論證主要考核設(shè)計方案的正確性、可行性和創(chuàng)新性，考核成績占30%左右。</p><p>　　4. 項目設(shè)計結(jié)果分析主要包括項目設(shè)計與制作結(jié)果的工藝水平，項目測試性能指標(biāo)的正確性和完整性，項目測試中出現(xiàn)故障或錯誤原因的分析和處理方法。項目設(shè)計結(jié)果分析記錄

6、于課程設(shè)計報告書第四項中，考核成績占25%左右。</p><p>　　5. 學(xué)生在課程設(shè)計過程中應(yīng)認(rèn)真閱讀與本課程設(shè)計項目相關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)自己的閱讀興趣和習(xí)慣，借以啟發(fā)自己的思維，提高綜合分和理解能力。文獻(xiàn)閱讀摘要記錄于課程設(shè)計報告書第五項中，考核成績占10%左右。</p><p>　　6. 答辯是課程設(shè)計中十分重要的環(huán)節(jié)，由課程設(shè)計指導(dǎo)教師向答辯學(xué)生提出2～3個問題，通過答辯可進一步了解

7、學(xué)生對課程設(shè)計中理論知識和實際技能掌握的程度，以及對問題的理解、分析和判斷能力。答辯考核成績占25%左右。</p><p>　　7.學(xué)生應(yīng)在課程設(shè)計周內(nèi)認(rèn)真參加項目設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，按時完成課程設(shè)計報告書交給課程設(shè)計指導(dǎo)教師評閱。課程設(shè)計指導(dǎo)教師應(yīng)認(rèn)真指導(dǎo)學(xué)生課程設(shè)計全過程，認(rèn)真評閱學(xué)生的每一份課程設(shè)計報告，給出課程設(shè)計綜合評閱意見和每一個環(huán)節(jié)的評分成績（百分制），最后將百分制評分成績轉(zhuǎn)換為五級分制（優(yōu)秀、良好、中

8、等、及格、不及格）總評成績。</p><p>　　8. 課程設(shè)計報告書是實踐教學(xué)水平評估的重要資料，應(yīng)按課程、班級集成存檔交實驗室統(tǒng)一管理。</p><p>　　一、課程設(shè)計項目名稱</p><p><b>　　數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　二、項目設(shè)計目的及技術(shù)要求 </p><p&

9、gt;<b>　　初始條件：</b></p><p>　　1．用計算機模擬帶有干擾的正弦信號R（頻率100Hz）。首先計算機產(chǎn)生一個隨機信號，再與正弦信號疊加。</p><p>　　2．計算機對含有干擾的正弦信號進行數(shù)字濾波處理，保留正弦信號，去除干擾。</p><p>　　3．輸入為模擬電壓，輸入模擬電壓范圍為0～+5V，最后濾波的結(jié)果用LE

10、D顯示器顯示。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù)：</p><p>　　1）分析數(shù)字濾波的常用方法，以及各自的優(yōu)缺點；</p><p>　　2）采用一階慣性濾波器算法，設(shè)計算法程序；</p><p>　　3）在顯示器上顯示濾波前與濾波后的信號曲線；</p><p>　　4）通過數(shù)據(jù)分析采樣周期T對濾波效果的影響；

11、</p><p>　　5）撰寫設(shè)計說明書。</p><p>　　三、項目設(shè)計方案論證(可行性方案、最佳方案、軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖)</p><p>　　3.1分析數(shù)字濾波的常用方法</p><p>　　下面給出幾種常用的作為參考，并進行比較。</p><p>　?。?）限幅濾波法（又稱程序判斷濾波法）

12、</p><p>　　A、方法：根據(jù)經(jīng)驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設(shè)為A），每次檢測到新值時判斷：如果本次值與上次值之差<=A,則本次值有效。如果本次值與上次值之差>A,則本次值無效,放棄本次值,用上次值代替本次值 </p><p>　　B、優(yōu)點：能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。 </p><p>　　C、缺點：無法抑制那種周期性的干擾，平

13、滑度差。</p><p>　?。?）中位值濾波法 </p><p>　　A、方法：連續(xù)采樣N次（N取奇數(shù)），把N次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值。 </p><p>　　B、優(yōu)點：能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位的變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。</p><p>　　C、缺點：對流量、速度等快速變化的參數(shù)不宜。&l

14、t;/p><p>　　（3）算術(shù)平均濾波法 </p><p>　　A、方法：連續(xù)取N個采樣值進行算術(shù)平均運算。N值較大時：信號平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時：信號平滑度較低，但靈敏度較高。N值的選?。阂话懔髁?，N=12；壓力：N=4 </p><p>　　B、優(yōu)點：適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波，這樣信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值范圍附近上下波動

15、。 </p><p>　　C、缺點：對于測量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計算速度較快的實時控制不適用，比較浪費RAM。</p><p>　　（4）遞推平均濾波法（又稱滑動平均濾波法） </p><p>　　A、方法：把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾,并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù).(先進先出原則)，把隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算,

16、就可獲得新的濾波結(jié)果。N值的選?。毫髁浚琋=12；壓力：N=4；液面，N=4~12；溫度，N=1~4 </p><p>　　B、優(yōu)點：對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。 </p><p>　　C、缺點：靈敏度低 ，對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場合，比較浪費RAM</p>&

17、lt;p>　?。?）中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法） </p><p>　　A、方法：相當(dāng)于“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法”。連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。N值的選?。?~14 </p><p>　　B、優(yōu)點：融合了兩種濾波法的優(yōu)點，對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，的新數(shù)據(jù)先進行限幅處理，再送入隊列進行遞推平均濾波處理。 &

18、lt;/p><p>　　B、優(yōu)點：融合了兩種濾波法的優(yōu)點，對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。 </p><p>　　C、缺點：比較浪費RAM。</p><p>　?。?）一階滯后濾波法 </p><p>　　A、方法：取a=0~1，本次濾波結(jié)果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果。 </p>&l

19、t;p>　　B、優(yōu)點：對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動頻率較高的場合。 </p><p>　　C、缺點： 相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決于a值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號。</p><p>　?。?）加權(quán)遞推平均濾波法 </p><p>　　A、方法：是對遞推平均濾波法的改進，即不同時刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)。通常是，越接近現(xiàn)時

20、刻的數(shù)據(jù)，權(quán)取得越大。給予新采樣值的權(quán)系數(shù)越大，則靈敏度越高，但信號平滑度越低。 </p><p>　　B、優(yōu)點：適用于有較大純滯后時間常數(shù)的對象和采樣周期較短的系統(tǒng)。 </p><p>　　C、缺點：對于純滯后時間常數(shù)較小，采樣周期較長，變化緩慢的信號不能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度，濾波效果差。</p><p>　　3.2 硬件電路設(shè)計</p>

21、<p>　　3.2.1 主控電路</p><p>　　ATmega16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。并且內(nèi)部自帶8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC 。</p><p&g

22、t;<b>　　圖1 主控電路圖</b></p><p>　　3.2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換</p><p>　　DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。</p>

23、<p>　　圖2 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖</p><p><b>　　3.3 程序設(shè)計</b></p><p><b>　　3.3.1設(shè)計思路</b></p><p>　　常用的RC濾波器的傳遞函數(shù)</p><p>　　其中Tf=RC,它的濾波效果取決于濾波時間常數(shù)Tf。因此，RC濾波器不可能

24、對極低頻率的信號進行濾波。為此，人們模仿上式做成一階慣性濾波器亦稱低通濾波器。</p><p>　　即將上式寫成差分方程</p><p><b>　　稍加整理得</b></p><p>　　其中，α稱為濾波系數(shù)，且0＜α＜1，Ts為采樣周期，Tf為濾波器時間常數(shù)。 根據(jù)慣性濾波器的頻率特性，若濾波系數(shù)α越大，則帶寬越窄，濾波頻率也越

25、低。因此，需要根據(jù)實際情況，適當(dāng)選取α值，使得被測參數(shù)既不出現(xiàn)明顯的紋波，反應(yīng)又不太遲緩。</p><p>　　3.3.2 一階慣性濾波器算法設(shè)計</p><p>　　低通濾算法程序和加權(quán)平均濾波相似，但加權(quán)系統(tǒng)只有兩個：a和1-a，因為只有兩項，a和1-a均以立即數(shù)的形式編入程序中，不另設(shè)表格。雖然采樣值為單元字節(jié)，為保證運算精度，濾波輸出值用雙字節(jié)表示，其中一字節(jié)整數(shù)，一字節(jié)小數(shù)，否則

26、有可能因為每次舍去尾數(shù)而使輸出不會變化。</p><p>　　低通濾波的程序如下：</p><p>　　//為加快程序處理速度，假定基數(shù)為100，//a=0～100</p><p>　　#define a 50</p><p>　　char value;</p><p>　　char filter_6()</p&

27、gt;<p><b>　　{</b></p><p>　　char new_value;</p><p>　　new_value=get_data();</p><p>　　return(100-a)*value+a*new_value;</p><p><b>　　}</b><

28、/p><p>　　一階低通濾波算法對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動頻繁的參數(shù)濾波，其不足之處是帶來了相位滯后，靈敏度低。滯后的程度取決于a值的大小。同時，它不能濾除頻率高于采樣頻率1/2（奈奎斯特頻率）的干擾信號，對于高于奈奎斯特頻率的干擾信號，應(yīng)該采用模擬濾波器。</p><p>　　四、項目設(shè)計結(jié)果分析（分析試驗過程中獲得的數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象或問題的正確性和必然性，分析產(chǎn)生不正確結(jié)

29、果的原因和處理方法）</p><p>　　改變一階慣性濾波器算法的采樣個數(shù)，運行后得到以下輸出波形。</p><p>　　圖3 改變采樣個數(shù)后的波形（N=10）</p><p>　　圖4 改變采樣個數(shù)后的波形（N=30）</p><p>　　圖5 改變采樣個數(shù)后的波形（N=60）</p><p>　　通過以上波形可以得

30、出，改變采樣個數(shù)，的確會對濾波器的輸出產(chǎn)生影響。在前期，隨著N的增加，濾波效果會越來越明顯，這也正表明其適用于采樣周期較短的系統(tǒng)；但這一并不意味著N的取值盡可能大，如果N的取值偏大會對輸出造成負(fù)面的影響，使波形發(fā)生不必要的失真，使信號不能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受的干擾程度，不能較好的實現(xiàn)濾波效果，并且增加了計算量，反而得不償失。</p><p>　　五、參考文摘（相關(guān)文摘不少于5篇，記錄每篇文獻(xiàn)的作者姓名.文獻(xiàn)名稱.

31、文獻(xiàn)發(fā)行城市：文獻(xiàn)出版社，出版年；文獻(xiàn)內(nèi)容摘要, 每篇不少于100字）</p><p>　　[1]于海生. 《計算機控制技術(shù)》 北京 機械工業(yè)出版社 2007摘要：工業(yè)控制是計算機的一個重要領(lǐng)域，計算機控制正是為了適應(yīng)這個領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來的一個專業(yè)技術(shù)，它主要研究將計算機，通信技術(shù)和自動控制理論應(yīng)運于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計出所需要的計算機控制系統(tǒng)。計算機控制技術(shù)是我國高

32、等學(xué)校各類自動化，電力與電氣，計算機應(yīng)用，機體一體化等專業(yè)的主干專業(yè)課程。[2] 馮博琴，吳寧《微型計算機原理與借口技術(shù)》北京 清華大學(xué)出版社 2007摘要：本書以Intel 80x86系列微處理器作為平臺，介紹了8088，80386，Pentium 4的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。同時對包括微處理器，總線技術(shù)，存儲器系統(tǒng)等內(nèi)容進行調(diào)整與補充，使其更能反映當(dāng)前微機領(lǐng)域的新進展與技術(shù)。[3]

33、 張晉格 《計算機控制原理與應(yīng)用》 北京 電子工業(yè)出版社 1995摘要：本書以計算機在系統(tǒng)控制中的應(yīng)用為中心,以計算機控制系統(tǒng)為主線,涉及控制系統(tǒng)硬件、軟件、系統(tǒng)分析和應(yīng)用等方面的問題,其實踐性和應(yīng)用性較強。[4] 于海生等 《微型計算機控制技術(shù)》. 北京 清華大學(xué)出版社 1999摘要：計算機控制系統(tǒng)在工業(yè)過程中的應(yīng)</p><p